原创 开关电源-寿命评估

2008-7-2 13:08 1744 2 2 分类: 工程师职场


1   开关电源-寿命评估


1 电源的寿命的定义和期望寿命

众所周知,电子产品的故障如Bath-tub Curve (图1,)所示,分为以下三种类型。

① 减少型(DFR;Decreasing Failure Rate)

初期,带有缺陷的部分会发生故障,但随着时间的推移,剩下的都是稳定的部件,故障率亦会下降。这段时间称为初期故障期。


② 一定型(CFR; Constant Failure Rate)

此时,机器运行稳定,故障率降至一定水平,发生的故障均为随机性事件,称为偶发性故障期。这段时期的稳定度和平均故障时间(MTBF)呈指数式分布。

③ 增加型(IFR;Increasing Failure Rate)

故障率逐渐上升。故障发生原因为磨损。多见于风扇电动机的球形轴承及继电器的驱动部位等处。这种类型的故障具有集中某处发生的特征,一般从初期开始即呈正态分布。


因此,可以说寿命就是指机器故障率保持不变的稳定运行时期,也就是偶发故障期。

用户对电源的最低寿命的要求各不相同,一般最好考虑为7~10年。然而,机器的运行时间因机而异,所以应明确限定期望寿命,并检测设计是否符合寿命标准。

  

P2

表1中列举了几种主要电器的最短寿命。

它们是在设定完全使用时间为7年的前提下,根据各种电器的运行状况推算出来的数据。





用途

必    要    寿    命

时间

负荷比

时间计算

printer

额定负荷  4.200H

1

最大额定负荷  8-2H/天

最小额定负荷   2H/天

使用天数    300天/年

最大额定负荷寿命 6H/天×300天/年×7年=12.600H

最小额定负荷寿命 2H/天×300天/年×7年=4.200H

最大额定负荷12.600H

1

PC

额定负荷

1

使用   8H/天

寿命   8H/天×300天/年×7年=16,800H

PPC

额定负荷  556H

1

PCB个数   500,000个/寿命

最小负荷时间 500,000个×分/个×(H/分)=556H

最大额定负荷 (8H/天×300天×7年)-556H=16.244H

最小额定负荷 16.244H

0.05

0.2

FAX

额定负荷  5.500H

1

最小额定负荷  2H/天×365天/年×7年=5.110H

最大额定负荷  (24H/天×365天/年×7年)-5.110H=56.210H

最小额定负荷

0.1



2 电源装置的寿命评估

电源装置因为处理电流的缘故,所用部件受到的电应力大,发热量高,机器内部温度上升快,所以寿命评估工作尤显重要。机器的寿命基本上和使用部件的寿命挂钩。部件寿命与热、电应力成函数关系,其中更以热应力为主。

从机器寿命设计的观点来看,如果将所有部件的寿命统一,则能达到理想的最优性价比,但部件的寿命性能(影响部件寿命的电力、环境特征)相差巨大,因而难以实现。一般来说,尽可能降低短寿部件的应力,并极限化使用长寿部件,可以实现部件寿命的平均化。

电阻类、陶瓷电容器和薄膜电容器等半导体部件不接触强应力,寿命极长,因而可以说下面举出的部件的寿命才真正决定了电源的寿命。


P3

3 决定寿命的主要部件

① 电解电容器

电解电容器的封口部位会漏出气化的电解液,这种现象会随着温度的升高而加速,一般认为温度每上升10℃,泄漏速度会提高至2倍。因此可以说电解电容器决定了电源装置的寿命。

② 开关晶体管、高速功率二极管

此类部件在性能界限内使用时,基本上可以维持7~10年的寿命,但电源通断(能量循环)时产生的物理应力、热应力会导致元件劣化,提前损坏。

③ 风扇

球形轴承及轴承的润滑油枯竭、机械装置部件的磨损,会加速风扇的老化。加之近年的DC风扇的驱动回路开始使用电解电容器等部件,所以有必要将回路部件寿命等因素也一并考虑进去。

④ 光电耦合器

电流传达率(CTR;Current Transfer Ratio)随着时间的推移会逐渐减少,结果发光二极管的电流不断增大,有时会达到最大限制电流,致使系统失控。

⑤ 开关

多数开关电源设有电容器输入型的整流回路,在通入电源时,会产生浪涌电流,导致开关接点疲劳,引发接触电阻增大及吸附等问题。理论上认为,在电源期望寿命期间,开关的通断次数约有5,000回。

⑥冲击电流保护电阻、热敏功率电阻器

为抵抗电源通入时产生的冲击电流,设计者将电阻与SCR等元件并联起来使用。电源通入时的电力峰值高达额定数值的数十倍至数百倍,结果导致电阻热疲劳,引起断路。处在相同情况下的热敏功率电阻器也会发生热疲劳现象。



P4

4 寿命测试

4.1 寿命测试的意义

为保证装置的寿命,可以从构成装置的部件及材料的寿命来推算装置总体的寿命,从而代替了对装置本身的寿命测试,然而,推测毕竟只是推测,要想真正保障寿命,就必须切实搞好测试工作。另一方面,电源机器是整个装置的心脏部位,与其他部分相比,要求有更高的稳定性。通过统计来确定产品的耐用寿命,本是很普通的工作,但在这里,测试所耗费的样品、时间和费用等成本颇为可观。要解决这个难题,可以考虑采用以下三种方法:

① 依据储存数据和过去的实际经验,挑出短寿部件,对其进行专门的寿命测试,从而推算出整个电源装置的寿命。

② 严格限制故障标准,从严判定故障。

③ 提高测试时的应力值,或者增加重复电源通断的次数。在易出故障的条件下,缩短检测时间,从严判定故障。

第①条要求操作者充分把握部件的使用状态,因为万一个别部件所受的应力超过预计,则有可能导致判断失误。需要注意的是:设计电源装置时必须考虑到所有部分的耐用寿命和稳定性,所以这种寿命测试不仅可以推算出机器的耐用寿命,更可以有效排除制造商方面的设计失误及漏洞。电源机器的设计也要考虑到用户的使用条件,但是因为用户未必都能充分把握有关规格要求,所以测试包括电源装置在内的机器总体的寿命是很有效的手段。这种做法也有利于用户方面对制造商进行比较,增强厂家竞争力。


 4.2 故障类型与故障构成

有关寿命的故障类型是指部件故障的外在表现,例如电源装置中出现的输出值下降,输出电压异常上升等问题。这些类型是部件的故障类型中的短路、开路和特性值改变引起的表现。

故障构成在这里是指引发个别部件的故障的理论模型,也就是说从材料化学、原子分子的层面上看,部件发生故障的原因是什么。关于故障构成的知识将会在下文中就不同部件详细说明。

要想研究寿命测试的方法,必须先将故障类型与故障构成的相互关系理清。图2标明了二者间的关系。


P5

4.3 加速寿命测试

寿命测试需要大量样品和很多时间,故而一般采用加速寿命测试法。

4.3.1 加速要求

寿命加速的允许范围是指能够保证随着应力的增强,故障结构不变,而特性值变化的形式、故障时间的分布、平均寿命和故障率等发生规则变化的条件。应力如果过强,则会导致其它的劣化现象,所以应留意应力值的设定。

4.3.2 劣化反应与加速系数

部件及材料的特性值会随着基本物质的扩散、氧化和再结晶等反应而发生劣化。

设特性值为φ,反应速度为K,K与φ的关系如下:

df(φ)/dt=K                           (1)

因此,f(φ)=Kt                              (2)

假设特性值 φ达到故障标准a时,寿命L就将结束。

则由(2)可得

     f(a)=K·L                                   

寿命的加速系数AL为

      AL= LN/L = K/KN                                 (3)

             LN 、KN各为基准值

另,根据阿列里乌斯推论,加速系数为

           AL≒2⊿T/θT                           (4)

       但,⊿T = T – TN

       θT=T – TN

          θr=(T·TN LN2/B


B:相应的活性化能源除以玻耳兹曼常数所得的特殊常数。

(注:玻耳兹曼常数为1.3709×10-10 尔格/绝对温度。)

TN:标准温度。


一般电器的θr值基本上为10℃左右,所以(4)式被称为10℃2倍定律,但这种关系式并非总是能够成立。电子部件在接近常温时,每上升10℃,寿命约减少至2/3~1/2。

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